热丝化学气相沉积用基片台及热丝化学气相沉积装置的制作方法

本实用新型涉及涂层沉积设备技术领域，尤其是涉及一种热丝化学气相沉积用基片台及热丝化学气相沉积装置。

背景技术：

热丝化学气相沉积装置是用于实现热丝化学气相沉积法沉积制备薄膜或者涂层的设备，其工作原理是利用金属钨或者钽丝为电热丝，通过给该电热丝通入大电流而使之产生大量的热，反应气体经过足够高温的电热丝时发生热解离，在其周围形成活跃的原子团或原子自由基，并进一步在相对温度较低的基底材料上发生化学反应从而沉积成膜。

目前，采用现有的热丝化学气相沉积装置沉积得到的薄膜或者涂层的形核密度较为均匀，若想得到形核密度呈梯度变化的薄膜或者涂层，现有热丝化学气相沉积装置往往不能满足使用要求。

有鉴于此，特提出本实用新型能够解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的第一目的在于提供一种热丝化学气相沉积用基片台，通过该基片台得到的薄膜或者涂层的形核密度呈梯度变化。

本实用新型的第二目的在于提供一种热丝化学气相沉积装置。

为解决上述技术问题，本实用新型特采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种热丝化学气相沉积用基片台，所述基片台包括用于承载基体的承载面，所述承载面为斜面且所述承载面与热丝之间的距离呈梯度变化。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，相对于所述热丝所在平面，所述承载面的倾斜角度为1-89°。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，所述基片台为水冷基片台。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，所述基片台的纵向截面形状为三角形或梯形。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，所述基片台的高度可调节；

和/或，所述承载面的倾斜角度可调节。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，所述承载面的边缘处设置有凸起，所述凸起将所述承载面围设成一凹槽。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，所述凸起上设置有若干个用于指示基体放置高度的标识部。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，所述标识部为豁口，两个相邻的豁口高度差为1-10mm。

本实用新型还提供了一种热丝化学气相沉积装置，包括上述的热丝化学气相沉积用基片台。

进一步的，在本实用新型技术方案的基础之上，该热丝化学气相沉积装置包括沉积室，所述沉积室内部设置有所述基片台和发热装置，所述发热装置设置在所述基片台的上方；

所述发热装置包括热丝和电极柱组件，所述热丝连接在电极柱组件之间；

所述热丝与所述承载面之间的距离为1-20mm。

与现有技术相比，本实用新型提供的热丝化学气相沉积用基片台及热丝化学气相沉积装置具有如下有益效果：

(1)本实用新型提供的热丝化学气相沉积用基片台，该基片台上设置有用于承载基体的承载面，承载面为斜面且承载面距热丝之间的距离呈梯度变化；通过上述基片台特定结构的设置，使得置于基片台承载面上的基体在沉积过程中，基体表面能够得到形核密度呈梯度变化的薄膜或者涂层；且该基片台结构简单，使用便利，可满足不同梯度涂层的沉积需求。

(2)本实用新型提供的热丝化学气相沉积装置，包括上述热丝化学气相沉积用基片台。鉴于上述热丝化学气相沉积用基片台所具有的优势，使得包含上述基片台的热丝化学气相沉积装置也具有同样的优势，为基体上薄膜或者涂层的梯度沉积提供了工业基础。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型提供的一种实施方式下的基片台的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种实施方式下的基片台与热丝的结构示意图；

图3为本实用新型提供的另一种实施方式下的基片台与热丝的结构示意图；

图4为本实用新型提供的再一种实施方式下的基片台与热丝的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为复合涂层的结构示意图；

图7为图6中复合涂层另一角度的结构示意图。

图示：10-基片台；11-承载面；12-凸起；13-标识部；20-热丝；100-基体；200-中间涂层；300-梯度涂层。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

本实施例提供了一种热丝化学气相沉积用基片台，该基片台10包括用于承载基体的承载面11，承载面11为斜面且承载面11与热丝20之间的距离呈梯度变化，具体如图1-5所示。

本实用新型中对基体类型和材质不作限定，可采用本领域常规的基体，典型但非限制性的基体材质为硅、玻璃碳或金。

与常规热丝化学气相沉积装置中具有均匀厚度的基片台不同，本实用新型提供的热丝化学气相沉积用基片台10并不是具有同等厚度的，即基片台10表面不同位置距热丝20的距离可能并不相同，且基片台10上还设有一具有倾斜角度的承载面11。将基体放置于基片台10具有一定倾斜角度的承载面11上，使得基体距热丝20之间的距离存在相应的梯度变化，从而使基体处于非均匀温度场(该温度场的温度分布可经过有限元计算得到)，故在沉积过程中涂层的形核密度随着基体位置的不同也产生梯度分布，进而实现涂层内部结构梯度的变化，最终获得梯度涂层。

相对于常规的均匀涂层而言，梯度涂层一般是指涂层内部存在成分和/或结构的梯度分布。本实用新型中所述的“梯度涂层”是指在沉积过程中涂层的形核密度呈梯度变化，从而使得涂层在基体表面呈非均匀分布。

另外，若基体100与梯度涂层300之间还形成有中间涂层200，且中间涂层200的材质不同于梯度涂层300的材质，则梯度涂层300与中间涂层200复合之后所得到的复合涂层不仅在结构上存在梯度分布，在化学成分上也存在梯度变化，具体如图6和7所示。

采用本实用新型提供的热丝化学气相沉积用基片台形成的梯度涂层300的形核密度呈梯度变化，可能会出现基体靠近热丝的一端(近丝端)梯度涂层的形核密度较大，远离热丝的一端(远丝端)梯度涂层300的形核密度较小，部分区域甚至会出现无梯度涂层300沉积的现象，使得梯度涂层300在基体100或中间涂层200表面分布不均匀，从而梯度涂层300在基体100或中间涂层200表面上存在结构梯度分布。当梯度涂层300在中间涂层200表面存在结构梯度分布时，主要由梯度涂层300和中间涂层200复合得到的复合涂层的表面也存在化学成分梯度变化，主要有以下几种情形：(1)基体近丝端所制得的复合涂层表面为梯度涂层300，远丝端所制得的复合涂层表面为梯度涂层300和中间涂层200，或，中间涂层200；(2)基体近丝端所制得的复合涂层表面为梯度涂层300和中间涂层200，远丝端所制得的复合涂层表面为梯度涂层300和中间涂层200，或，中间涂层200。

在结构梯度和化学成分梯度两种梯度变化的共同作用下，复合涂层的表面湿润性可得到有效控制，从而达到对与其接触的微流体进行有效驱动与控制的目的。

作为本实用新型的一种可选实施方式，相对于所述热丝所在平面，所述承载面的倾斜角度为1-89°。

典型但非限制性的倾斜角度为为1°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°或89°。通过对上述倾斜角度的限定，使得承载面具有较为适宜的梯度变化，从而有利于涂层的梯度沉积。

作为本实用新型的一种可选实施方式，基片台10为水冷基片台，采用水冷基片台，可使得基片台10上的温度更均匀，有利于提高热丝化学气相沉积中涂层沉积的均匀性。

对于基片台10的结构不作具体限定，只要基片台10存在至少一具有倾斜角度的承载面11即可。作为本实用新型的一种可选实施方式，基片台10的纵向截面形状为三角形或梯形。

当基片台10的纵向截面形状为梯形时，基片台10靠近热丝20的底面以及斜面均可作为承载面11。

对于基片台10的大小也不作限定，可根据实际沉积室体积大小以及待沉积基体的数量进行确定。基片台10可小于热丝20的有效沉积区域(此时热丝20下方可放置一个或者多个基片台10)，也可大于热丝20的有效沉积区域。

基片台10的高度不作具体限定，只要其放置高度小于热丝20的高度即可。为灵活调节基片台10的承载面11距热丝20之间的距离，作为本实用新型的一种可选实施方式，基片台10的高度可调节。

基片台10高度的调节方式可通过调整位于基片台10下方的石墨盘或钼盘的高度来实现，或者也可采用本领域其他技术手段实现，此处不作具体限定。

基片台10上承载面11的倾斜角度可根据实际需要进行设定。为灵活调节梯度涂层的结构梯度分布，作为本实用新型的一种可选实施方式，承载面11的倾斜角度可调节。

另外，鉴于基体的质量较轻，为防止基体在沉积过程中受反应气体的影响其位置发生偏移，故承载面11的边缘处设置有凸起12。凸起12设置于承载面11的边缘处并将承载面11围合形成一凹槽，基体则放置于该凹槽内。

凸起12的高度不作具体限定，只要大于基体厚度即可。作为本实用新型的一种可选实施方式，凸起12的高度为0.2-3mm。典型但非限制性的凸起12的高度为0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm、2.5mm、2.8mm或3.0mm。

为了较为方便的读取基体距离热丝20的距离，故在承载面11的不同位置处进行标识。作为本实用新型的一种可选实施方式，凸起12上设置有若干个用于指示基体放置高度的标识部13。

将基体根据实际沉积需要放置于承载面11上，丝底距(样品距离热丝的距离)无需再进行测量，可通过标识部13直接进行读取，大大简化操作流程。

标识部13的数量不作具体限定，可根据实际沉积需要进行限定。

作为本实用新型的一种可选实施方式，标识部13为豁口，具体如图4和5所示。两个相邻的豁口高度差为1-10mm，典型但非限制性豁口高度差为1mm、2mm、4mm、5mm、6mm、8mm或10mm。

本实用新型提供的基片台结构简单，使用便利，可满足不同梯度涂层的沉积需求。

实施例二

本实施例还提供了一种热丝化学气相沉积装置，本实施例是在实施例一基础上的改进，实施例一所描述的技术方案也属于本实施例，在此不再赘述。

本实施例提供的一种热丝化学气相沉积装置，包括上述热丝化学气相沉积用基片台。

鉴于上述热丝化学气相沉积用基片台所具有的优势，使得包含本实用新型热丝化学气相沉积用基片台的热丝化学气相沉积装置也具有同样的优势，该热丝化学气相沉积装置为基体上薄膜或者涂层的梯度沉积提供了工业基础。

作为本实用新型的一种可选实施方式，该热丝化学气相沉积装置包括沉积室，沉积室内部设置有基片台10和发热装置，发热装置设置在基片台10的上方；

发热装置包括热丝20和电极柱组件，热丝20连接在电极柱组件之间；

热丝20与承载面之间的距离为1-20mm。

除了上述基片台10之外，该沉积装置中的发热装置可为本领域常见的部件组成。

热丝20与承载面11之间的距离为1-20mm，典型但非限制性的热丝20与承载面11之间的距离为1mm、2mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、11mm、12mm、14mm、15mm、16mm、18mm或20mm。

电极柱组件与电源相连，可使热丝20达到一定温度从而对反应气体进行分解，实现对基体10上薄膜或者涂层的沉积。

作为本实用新型一种可选实施方式，热丝20为金属钨丝、钽丝或者其他耐高温电阻发热材料。

在上述技术方案的基础之上，该热丝化学气相沉积装置还可以与电子辅助设备相连。

电子辅助设备与热丝化学气相沉积装置电连接，且热丝化学气相沉积装置的运行参数可传输到电子辅助设备中，电子辅助设备可对沉积过程各工艺参数进行记录与保存。本实施例所述的“电子辅助设备”可为本领域技术人员常用的设备，此处不作具体限定。

本实施例提供的热丝化学气相沉积装置结构简单，操作便利，不需要掩模，可实现梯度涂层的沉积，可用于涂层或者薄膜沉积领域。

本实用新型热丝化学气相沉积装置的使用方法：打开沉积室，将基片台10安装在沉积室内部的支撑台上，并将基体100装载于基片台10的承载面11上，通过调整基片台10距热丝20的距离从而调节基体100与热丝20的距离，闭合沉积室；

启动热丝化学气相沉积装置，调整反应气体流量，对基体100进行热丝化学气相沉积，得到梯度涂层。

为了更好的说明本实用新型提供的热丝化学气相沉积装置的使用效果，现以复合金刚石涂层的制备为例进行说明。其中，复合金刚石涂层包括金刚石梯度涂层以及与基体接触的中间涂层，中间涂层设置于金刚石梯度涂层与基体之间，中间涂层为非金刚石涂层，金刚石梯度涂层的形核密度呈梯度变化，使得金刚石梯度涂层在中间涂层表面呈非均匀分布。

上述复合金刚石涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)将清洗好的硅片进行腐蚀处理和清洗干燥处理；其中，腐蚀处理中采用的碱溶液的原料包括氨水、过氧化氢和水，且氨水、过氧化氢和水的质量比为1:1:5；

(b)采用热丝化学气相沉积法在清洗干燥处理后的硅片沉积碳化硅涂层；其中，沉积碳化硅涂层的工艺条件包括：气源包括甲烷、氢气和硅烷；真空室气压为1.5-2.0kPa，甲烷的流量为16-32sccm，氢气的流量为600-800sccm，硅烷的流量为32-80sccm，灯丝功率为6000-7000W，丝底距为7-15mm，沉积时间为0.5-2h；

(b)采用热丝化学气相沉积法在清洗干燥处理后的硅片沉积碳化硅涂层；其中，沉积碳化硅涂层的工艺条件包括：气源包括甲烷、氢气和硅烷；真空室气压为1.5-2.0kPa，甲烷的流量为16-32sccm，氢气的流量为600-800sccm，硅烷的流量为32-80sccm，灯丝功率为6000-7000W，丝底距为7-15mm，沉积时间为0.5-2h；

(c)将表面沉积有碳化硅涂层的硅片清洗后进行植晶处理，然后置于热丝化学气相沉积装置中沉积金刚石梯度涂层，其中，金刚石梯度涂层的沉积参数包括：气源包括甲烷和氢气，真空室气压为1.5-2.0kPa，甲烷流量为16-32sccm，氢气的流量为600-800sccm，灯丝功率为6800-7000W，丝底距为7-10mm，沉积时间为0.5-1.5h；

(d)然后将表面沉积有中间涂层和金刚石梯度涂层的基体依次进行氧化处理和还原处理，得到复合金刚石涂层；

其中，氧化处理包括以下步骤：将表面沉积有中间涂层和金刚石梯度涂层的基体置于浓酸混合物中加热，然后进行洗涤和干燥，加热温度为200-300℃，加热时间为0.5-1h；

还原处理包括以下步骤：将经过氧化处理的基体采用热丝化学气相沉积法在氢气条件下进行还原处理，氢气流量为60-100sccm，真空室压力为15-30Pa，还原时间为10-30min。

由此可见，通过本实用新型提供的热丝化学气相沉积用基片台或热丝化学气相沉积装置，能够制备形核密度呈梯度变化的梯度涂层，满足工业上各种使用需求。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施方式技术方案的范围。